현재 국제적으로 가장 많이 적용되는 심해저광물자원 탐사기법은 광역 지역을 탐사한 후 광체 부존 예상지역을 찾아 크기를 줄여 나가는 탐사 지역 줄이기(narrow-down) 방법을 사용 (그림 6)
심해저광물자원개발을 위한 탐사에는 지구물리, 영상, 지질시료채취, 무인 잠수정을 이용한 정밀탐사 등 다양한 기술이 활용(1) 지구물리 탐사 기술 가) 음향탐사 기술
음향탐사 기술은 탐사 목적에 따라 특정 주파수 대역을 갖는 음파를 사 용하여, 해저 정밀지형, 해저면의 형태 그리고 해저면 퇴적층 구조 등을 파악하는 기술임. 이를 통해 광체의 존재를 예측하고, 정밀탐사 지역을 선정할 수 있음 (그림 7)
광체가 분포하는 해저면은 퇴적물의 종류 등에 따라 물성이 다르기 때문 에 해역별로 각기 다른 음향 특성을 나타냄. 해저면에서 얻은 음향자료 분석을 통해 해저면에서의 음파의 반사, 굴절 및 산란 그리고 감쇄특성을 규명할 수 있고 퇴적물의 지질학적, 지질공학적 특성을 파악할 수 있음
지형탐사 및 자료 해석은 (1) 인공위성자료, (2) 선상 다중빔 탐사, (3) 예 인식 음향탐사(DTSSS, ROV)의 단계를 거쳐 점차 대상 면적은 작아지면서 수평해상도가 높아지는 순서로 진행됨그림 7. 음향탐사를 통한 지형분석 및 광체 추적
나) 탄성파탐사 기술
저주파 영역의 Air Gun, Sparker, Sleeve Exploder, Bubble Pulser 등과 같은 음원을 사용하여, 대상 해역의 단층, 습곡 등 심부 지질구조를 규명
최근에는 천부지층탐사기에 다중주파수 음원을 결합하여 사용함으로써 단주파수 음원을 사용할 때보다 정확한 천부 지질구조 특성을 규명할 수 있게 됨다) 자력탐사 기술
자력탐사는 해저면 하부에 위치하는 암반의 자기장 이상을 측정하여 자 기장 변화를 일으키는 광체나 암반의 위치와 크기를 파악함
심해저광물자원 탐사단계에 따라 초기 광역탐사에서는 표층 자력탐사 위 주로 수행하고, 중간 및 정밀탐사 단계에서는 심해견인 방법을 이용
표층 자력탐사는 짧은 시간에 넓은 범위를 조사할 수 있으며 이를 통해 연구지역 전체의 자화분포를 파악할 수 있으며, 심해견인 자력탐사는 표 층 자력탐사에 비해 데이터의 질이 양호하여 천부 지각성분에 대한 정보 를 획득할 수 있음 (그림 8)
열수광체를 형성하는 열수유체가 해저면을 통과할 때 해저면 암석의 자 성광물을 변질시켜 자성광물들이 자성을 잃거나 혹은 낮은 자성을 가진 광물로 변질되기 때문에 해저열수광체 탐사에서는 자력탐사가 매우 유용 하게 활용됨그림 8. 열수분출 지역을 잘 추적한 특징적인 심해견인자력탐사 예 (Juan de Fuca Ridge 지역)
라) 중력탐사 기술
각종 암석의 분포나 지질구조에 따른 밀도차에 의한 중력변화 효과를 이 용하는 탐사기법으로 지하 지질구조와 자원의 존재를 확인할 수 있음 (그 림 9)
해저열수광상과 같이 심해저광물자원의 분포를 간접적으로 탐지할 수 있 으며, 특히 광체가 형성될 수 있는 지질구조 해석에 이용됨그림 9. 중앙인도양 해령 OCC 구조에 대한 중력이상치와 중력모델링 결과
마) 지열탐사 기술
해저열수광체 부근은 열수 순환에 의해 다른 지역보다 높은 지열이 발생 하기 때문에 지열탐사 기술은 해저열수광체 분포 파악에 적용할 수 있음
지열측정 온도계를 이용하여 기반암 부근 표층 퇴적물의 열류량과 수층 의 온도 구배를 일정한 시간간격으로 측정하며, 측정을 위한 장비는 다양 한 운반체에 장착하여 운영
바) GIS를 이용한 해양탐사자료 구축 기술
심해저광물자원 탐사를 위한 심해탐사자료의 관리와 활용을 위한 최적의 방법 (그림 10)
최근에는 대부분 탐사자료의 해석에 GIS기법을 적용하고 있음그림 10. GIS를 사용한 해양탐사자료 통합관리 체계도
(2) 지화학 탐사 기술
지구물리 탐사와 지화학 탐사 기술은 상호 보완적인 관계이며, 지구물리 탐사 기술이 광역 탐사에 비교적 효과적이라면 지화학 탐사 기술은 정밀 탐사에 보다 효과적인 탐사 기법임
지화학 탐사에서는 광체, 암석, 퇴적물 등의 지질 시료와 광체를 형성하 거나 주변 해수 시료를 채취하는 과정이 필수
획득한 지질시료의 조직과 지화학 특성 분석을 통해 탐사지역에서 광체 의 존재, 범위, 품위, 광상 성인 및 자원량 등을 규명
해수의 수온, 탁도, 화학성분 분석을 통해 광체의 위치를 파악하거나 성 인 규명에 이용
지질시료를 획득에는 드렛지, 다중주상시료 채취기(Multiple corer), 박스 코어러(Box corer), 피스톤 코어러(Piston Corer) 등을 이용
TV-Grab이나 무인잠수정(ROV) 등을 이용하여 해저면의 상황을 육안으로 확인하고 시료를 획득하기도 함. 또한 해저열수광상의 광체 연장성 및 자 원량 평가를 위해 심해시추기를 사용하여 시추시료를 확보
망간각 광상 탐사에는 해저 착저식 시추장비를 이용하여 광상의 정밀분 포 상황을 규명가) 광석 분석 기술
광석의 분포범위와 산출상, 구성 광물 및 화학조성 등의 규명은 광체의 품위 및 매장량 산출에 활용되며, 향후 채광 및 제련을 위한 기초자료로 이용
유체포유물 및 동위원소 분석 기술을 이용한 해저열수광체 분석을 통해 유용금속 기원, 광상 생성환경 및 열수 성인, 광화작용 기작을 규명나) 기반암 분석 기술
다양한 기반암 분석연구를 통해 해저열수광상과 망간각 자원의 성인 및 부존 가능성 규명
해저열수광상에서 확인되는 열수변질대의 화학분석을 통해 기반암 조성, 기원 맨틀 규명 및 분화 과정 해석다) 퇴적물 분석 기술
해저열수광상 탐사지역에 분포하는 퇴적물 내 금속 함량 분포를 통해 열수작용의 존재여부를 판단
열수작용이 활발하거나 활발했던 지역 부근의 퇴적물은 열수의 영향으로 망간, 철, 구리 등 중금속의 함량이 매우 높아서 퇴적물에 대한 광역적인 원소 분포 특성을 파악하면 열수작용의 존재 여부나 열수분출 및 광상의 분포 지역을 비교적 좁은 영역으로 한정하는데 유용
망간각 탐사에 있어 퇴적물은 망간각 성장을 방해하기 때문에 망간각 개 발 유망지역을 선정하기 위해서는 퇴적물의 분포 특성을 파악이 중요 라) 수층물리 탐사 기술
열수지역에서는 300℃ 이상 고온의 열수가 방출되어 주변 해수의 급격한 수온 변화(상승)를 야기하며, 이러한 수온 이상변화(temperature anomaly) 는 열수 분출구의 탐사에 유용하게 활용
열수 분출수 내 고농도 부유물로 인한 부유물의 이상농도는 분출구 추적 에 이용 (그림 11)
부유물 농도는 생물량 변화와 같은 다른 요인에 의해 영향을 받으므로 타 수층 인자(온도, 메탄, 황화수소, 헬륨 등)의 측정 병행 필요그림 11. 중앙인도양해령에서의 수층 내 투명도 및 메탄 이상치 관측 결과
마) 수층화학 탐사 기술
해수에 포함되어 있는 각종 인자들은 주변환경에 대한 특정한 정보를 제 공하기 때문에 이의 분석을 통해 광화작용 등을 예측
황화수소는 광범위한 지역을 대상으로는 열수 분출수의 영향을 파악하기 에는 어려움이 있으나, 열수활동을 동반하는 화산지역 탐사에 효율적으로 활용할 수 있음
해수 내 총이산화탄소 양과 해수의 pH는 열수분출의 특성을 반영
해수 중 망간의 농도는 일부 연안지역을 제외하면 미량(~1 nM)으로 존재.하지만 열수 분출수의 망간 농도는 최대 ~1 mM로 주변해수와 커다란 차 이를 보여, 열수분출 지시자로 활용
(3) 근접해저면 탐사 기술
근접해저면 탐사는 광역탐사 결과를 토대로 광체 규모 및 특성을 해저면 직상부에서 연구․탐사 할 수 있는 기술로, 일반적으로 무인잠수정(ROV)과 자율무인잠수정(AUV) 등을 이용 (그림 12)
해저열수광상은 수십∼수백 미터 정도의 소규모로 광체가 형성되기 때문 에 근접해저면 탐사 기술을 이용한 정밀탐사를 통해 광체의 존재, 부존형 태, 매장량 등의 확인이 필요
또한 실제 자원개발 이전에 선행되어야 하는 환경영향평가를 위한 정밀 환경자료 획득, 보존 및 충격지역 환경조사 및 환경충격 후 모니터링 등 에 잠수정 활용이 필수그림 12. 무인잠수정을 활용한 근접해저면 자원탐사
해저열수광상 근접해저면 탐사에 활용되는 무인잠수정의 기능 (그림 13) - 영상자료: 열수분출구의 정확한 위치파악 및 사진, 동영상 자료 획득 - 지형 및 광체추적: 광체의 규모와 분포형태를 파악할 수 있는 다양한지구물리 조사(지자기, 전자기, 음향탐사)
- 해수측정 및 해수시료: 열수의 특징을 밝혀내기 위해 해수의 온도, 염 분, 탁도 등을 측정하고, in-situ 해수시료 채취 및 밀봉보관, 고온의 열 수 시료 채취
- 암석시료: 열수광상의 특성 규명을 위해 열수분출구 주변에서 생성되는 광체 및 기반암 시료 채취. 광상의 분포 및 매장량 추정을 위한 광석시 료 채취
- 퇴적물시료: 열수분출구의 위치 및 열수작용의 범위를 파악하기 위해 교란되지 않은 표층 퇴적물 시료 채취
- 생물시료: 열수분출구 주변에 서식하는 중/대형 저서생물 및 박테리아 등의 시료를 채취하고, 변형없이 보관
- 위치제어: 작업이 수행되는 정확한 위치 파악
그림 13. 심해잠수정 근접해저면 탐사를 통한 피지 탐사광구 내 열수광체 군집분포 해석
(4) 해저광체 시추 기술
해저열수광상과 망간각 광체는 하부 연장성이 대체로 불규칙하기 때문에 시추탐사를 통해 획득한 구간별 시료의 품위를 이용하여 자원량 평가 수 행
해저면 하부 암석시료 획득을 위한 시추기는 선상탑재식과 해저착저식으 로 구분 (표 11, 그림 14)
선상탑재식 시추기는 동력부가 시추선에 존재하여, 동력부가 해저에 위치 하는 착저식 시추기에 비해 장비 유지보수가 용이
해저착저식 시추기는 원격제어가 가능한 시추기를 해저에 안착시켜 시추 하는 방식으로, 원하는 지점을 정확히 시추할 수 있어 최근 들어 사용 빈 도가 증가- 해저착저식 시추기는 시추파이프를 메거진(magazine) 방식으로 장착한 후 투하하여 시추를 수행한 후 시추시료와 함께 선상으로 회수하는 방 식 사용
- 해저착저식 시추기는 시추파이프를 체결하며 투하하는 선상탑재식에